試料の表面形状の測定方法及び装置
【課題】試料には強い力をかけずに探針のとびを抑制できる試料の表面形状の測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻す。
【解決手段】センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状の測定方法及び装置に関するものである。一層特に、本発明は触針式段差計の針のとびを抑制する方法及び装置に関する。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含するものとする。
【背景技術】
【０００３】
従来技術による触針式段差計の一例を添付図面の図２１に示す。図２１において、Ａは探針で支点Ｂに揺動可能に取り付けられた支持体Ｃの一端に装着されている。支点Ｂは支点受け窪みに置かれる。また支持体Ｃの他端に隣接して探針Ａの垂長方向変位を検出する変位センサＤが設けられている。変位センサＤは探針Ａの垂長方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成っている。一方、支持体Ｃの他端には探針Ａに針圧を加える針圧発生装置Ｅが設けられている。針圧発生装置Ｅは、コイルＦと、コイルＦの中心から軸方向にずれた位置に配置された高透磁率材のコアＧとを備え、コイルＦに流す電流の大きさに応じて発生される、高透磁率材のコアＧをコイルＦの中心へ引き込む力より探針Ａを試料に押し当てるように構成されている。そして試料または図１の検出系を走査することで探針Ａは試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点Ｂのまわりに微小に回転運動し、その変位を差動トランスＤで検出して試料の表面形状や段差が測定される。
【０００４】
このような触針式段差計で軟らかい試料を測る際には、膜厚検査時間を短縮するために、測定時間の短縮が要求され、走査速度を大きくしなければならず、他方では、試料の変形や破損を防ぐために針を下に押し付ける力を小さくしなければならない。しかし、小さい力で、速い走査を行うと図１のような上りの段差部分で針が上方に飛び上がり、正しい段差の測定ができない。
【０００５】
図２には針とびの例を示し、試料の基板上の段差部で探針が空中にとび上がった後、試料面の上で何回か振動している様子を示している。図２のグラフは、探針の針圧が0.15 mgf、探針の走査速度が0.1 mm/sでの測定例である。試料は図１に示す構成と同じで、横軸は時間で、６０ｍｓで走査を開始し、７６０ｍｓで７０μｍ走査が進んでいる。３８０ｍｓ相当の位置にレジスト膜の端すなわち段差があり、そこから変位が増して、探針がとび上がり、その後、戻ってもレジスト膜表面で針が再び跳ね上がり、振動を繰返している。探針の飛びの高さはこれら条件の他に、支点まわりの慣性モーメントと「支点と探針の間の長さ」に依存する（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
このような探針のとびを解決する方法としては、本願の発明者は先に、探針のとびの検知後、探針を下に押さえる力を増して、とびを小さくすることを提案した（特許文献１参照）。かかる方法では、探針に掛かる力を増したまま探針のとび（試料表面上での複数回のとびの振動）が収まるまで待ち、その後、力を徐々に元の小さい値に戻す。つまり、ある一定の間は試料に強い力がかかることになる。従って、探針のとびの高さは小さくなるが、短い時間にせよ試料に強い力がかかる点では望ましくない。
【特許文献１】特開2006‐226964
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような方法では、例えばフォトレジストなどの軟らかい試料の測定では、探針の針先に掛かる力すなわち針圧に応じて試料が変形する。かかる力が強いと、その部分では試料が変形し或いは破損して段差や膜厚は正しく測定できない。
【０００８】
そこで、本発明は、探針が空中にあるときにだけ針圧を増し、試料に再び触れる前に元の弱い針圧に戻すことで、試料には強い力をかけずに探針のとびを抑制できる試料の表面形状の測定方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、探針を被測定試料の表面に接触させて被測定試料の表面形状を測定する方法において、
センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴としている。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、・探針のとびの軌跡の頂点付近で、探針にかかる針圧を元の値に戻すようにされ得る。また、制御操作は１００μ秒で行なわれ得る。
【００１１】
本発明の方法においては、好ましくは、探針の変位の検出に基いた探針の速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すことができる。この場合、本発明の一実施形態によれば、探針の速度の設定値は４０μｍ／ｓに選定できる。
【００１２】
代わりに、本発明の方法においては、探針の変位の検出に基いた探針の加速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の加速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すようにしてもよい。
【００１３】
本発明の第２の発明によれば、被測定試料の表面に対して垂直方向に移動可能でしかも被測定試料の表面に沿って相対的に移動可能である探針と；
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧付加手段と；
探針の垂直方向の変位を検出する検出手段と；
検出手段の出力信号に基き探針のとびを検出すると共に探針のとびの検出に応じて針圧付加手段を制御して探針の針圧を増減する制御手段と；
を有し、
制御手段が、検出手段による探針の垂直方向の変位の検出と探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針のとびを制御抑制するように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
本発明の装置においては、制御手段は、制御操作を１００μ秒で行うように構成され得る。
【００１５】
また、制御手段は、探針の垂直方向の変位を検出する検出手段からの出力信号を計測する計測器を備え、この計測器のローパスフィルタの時定数を短く設定してリアルタイム制御に追従できるように構成され得る。この場合、計測器のローパスフィルタの時定数は１００μ秒に設定され得る。
【００１６】
本発明の一実施形態においては、制御手段は、探針のとびの制御抑制で得られた探針の変位の時間変化データを所望のカットオフ周波数のローパスフィルタに通し、それにより探針のとびを抑制すると共に雑音除去した探針の変位の時間変化データを得るように構成され得る。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明してきたように、本発明の第１の発明によれば、センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻すように構成したことにより、試料には強い力がかからず、試料を傷めることがなくなる。
【００１８】
また、探針のとびの軌跡の頂点付近で、探針にかかる針圧を元の値に戻すように構成した場合には、試料表面に着地する際の速さが小さくなり、それにより跳ね返りが小さくなり、かつ、試料へのダメージも小さくなる。
【００１９】
また、制御操作を１００μ秒で行うようにすることにより、探針の垂直方向の変位の実際の変化に十分追従させることができる。
【００２０】
また、本発明の方法において、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び（又は）加速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すように構成することにより、探針のとびの高さを低くできると共に、試料に再び触れる際の探針の針圧は当然小さくできる。さらに、探針が試料表面に向って下りてきて試料に再び当たる際の速度が小さくなるので、試料を傷めることがなく、針の跳ね返り（再度のとび）も小さくなる。
【００２１】
本発明の第２の発明による装置においては、制御手段が、検出手段による探針の垂直方向の変位の検出と探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針のとびを制御抑制するように構成されているので、探針のとびの高さを大幅に低くでき、しかも探針が再び試料表面に当接する際の針圧及び速度を低減でき、その結果実際の測定を試料にダメージを与えることなく一層正確に行うことができる装置を提供できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下添付図面の図３〜図２０を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
図３には、本発明による測定装置の一つの実施形態を示し、１は固定支持台で、その上に支点２を介して揺動支持棒３が設けられ、この揺動支持棒３の一端には探針４が下向きに取り付けられている。探針４はその先端はダイヤモンドで構成され、また先端の半径は一般的には２．５μｍであるが、それより大きくても小さくてもよい。また、揺動支持棒３の他端には探針４に垂直下方の力すなわち針圧を加える力を発生する針圧付加手段５が設けられている。この針圧付加手段５は図示例では、揺動支持棒３の他端から上方へのびる作動子５ａと作動子５ａを受ける穴をもつコイル５ｂとで構成されている。揺動支持棒３の一端における探針４より支点２側において、探針４の垂直方向の変位を検出する検出手段６が設けられ、この検出手段６は揺動支持棒３に一端を固定した測定子６ａと測定子６ａの他端すなわち自由端を受けるコイル６ｂとを備えた差動トランスで構成されている。
【００２４】
また、図３において７は試料ホルダーで、その上に走査ステージ８が探針４に対して予定の操作速度で移動できるように設けられ、この走査ステージ８上には被測定試料９が取り付けられ得る。
【００２５】
針圧付加手段５及び探針４の垂直方向の変位を検出する検出手段６は制御手段１０に接続され、この制御手段１０は検出手段６からの出力信号に基いて針圧付加手段５の動作を制御するように構成されている。なお、図３の装置において試料９を固定して探針側を走査するように構成することも可能である。
【００２６】
図４には図３に示す制御手段１０の構成の一例を示し、本発明の針とび抑制制御を行うための計測制御系の構成例を示している。図４において、差動トランス等から成り得る検出手段６即ち変位センサの出力はロックインアンプ等の計測器１１で計測される。計測器１１は計測した探針の変位信号をアナログ信号としてアナログ入出力ボード１２へ出力する。このアナログ入出力ボード１２は、リアルタイムOSで動作するコントローラ１３で制御され、計測器１１からのアナログ信号取り込む。コントローラ１３のCPU及びそれにＬＡＮを介し接続されたコンピュータ装置１４でその信号を探針の垂直方向の変位zに換算し、その時間微分dz/dt即ち探針の変位速度ｖ及び２階微分d2z/dt2即ち探針の加速度αを計算し、それら値から探針のとびを判断するように機能する。１４はコンピュータ装置で、このコンピュータ装置１４はＬＡＮを介してコントローラ１３に接続されている。コントローラ１３において探針のとびが検知されると、探針の針圧を増すために、針圧付加手段５（図３）におけるコイル５ｂに流す電流を増すようにする。すなわちアナログ入出力ボード１２を介して、コイル５ｂに流す電流を制御するアナログ電圧信号がコイル５ｂに接続された電源１５に供給され、この電源１５を制御する。その制御ループの動作を図５に示す。
【００２７】
探針４のとびを抑制する方法について以下に説明する。
【００２８】
探針が空中にあるときにだけ力を増し、試料に再び触れる前に元の弱い力に戻すことで、試料には強い力をかけずに針のとびを抑制する。
【００２９】
図６及び図７に探針のとびの計算結果を示す。点線はとびの抑制をしておらず、実線は本発明に従って抑制制御を行った場合であり、図７のグラフは、図６のグラフを拡大表示したものである。
【００３０】
探針４の針先での力をF、針先の垂直方向位置をz、支点２のまわりの慣性モーメントをI、支点２から探針４の針先までの距離をrとして、支点２のまわりの運動方程式を変形すると次の式が得られる。
F = I/r2 d2z/dt2 (1)
即ち、力Fが働く場での、質量がI/r2の質点の運動とみなすことができる。従って、探針４が飛んでいる間は重力場での質点の自由落下運動とみなすことができ、Fが一定ならd2z/dt2も一定になる。つまり図６の点線（ｚの軌跡）は放物線になっている。
【００３１】
なお、探針４の針先でのz方向即ち垂直方向の初速（針先が試料表面から離れるときの速さ）をv0とし、支点２で支えられた可動部分の重心が支点２に近いと仮定すると、放物線の到達高さh、針先が飛んでいる時間（針先が試料表面を離れた後、再び表面に戻るまでの時間）2t0はそれぞれ次式で表せる。
h = I v02 / 2 r2 F (2)
2t0 = 2 I v0 / r2 F (3)
【００３２】
図６及び図７において点線で示すグラフは、探針４の上方への初速度v0が1 ｍｍ／ｓ、探針４を押さえる力（針圧）Fが０．１ ｍｇｆでの結果である。横軸は時間t（秒）である。v0はx方向の走査速度（図１参照）と同程度と考えられるので、ここでは走査速度= v0としており、探針４のx座標はx= v0 t とした。I/r2 ＝ ０．２１０ g のセンサでの計算結果である。
【００３３】
探針４がとび始めたら力を２ ｍｇｆ に増し、その後 dz/dt が0になったら力を０．１ ｍｇｆに戻した場合の計算結果を図６及び図７に実線のグラフで示している。探針４にかける力を20倍に増すことによりとびの高さは1/20になり、とんでいる時間（x方向のとびの距離）も短くなることが分かる。この場合、本発明の一実施形態では、2 mgfの強い力は探針４が空中にあるときしかかけないので、試料９を傷めない。
【００３４】
もし探針４がとび始めた際に探針４にかける２ ｍｇｆの強い力を途中で元の弱い力に戻さないと、「着地」の際の下方向への速さが、「ｔ＝０での上方向への速さ」と同じ値になり大きいので、再び大きく跳ね上がることになる。つまり、着地時のｚ方向の速さ（速度の絶対値）│dz/dt│を小さくしないといけない。そのために、探針４のとびの軌跡の頂点で力を元の弱い値に戻している。
【００３５】
図８及び図９には、図６及び図７の計算で初速v0を１／１０の１００ μｍ／ｓとした時の結果である。点線グラフが制御なしの場合で、実線グラフが制御ありの本発明の場合である。図９のグラフは図８のグラフを拡大して示している。軌跡の頂点で力を戻す制御により、探針４のとびの高さは１／２０になっている。
【００３６】
図１０はとびの高さをv0に対してプロットしたグラフであり、v0は走査速度と同程度なので横軸には走査速度を表している。センサのI/r2 は０．２１０ g としている。点線が制御なしの場合で、実線が本発明に従って制御を行ったときの計算結果である。本発明における探針のとび抑制制御により、とびの高さは１／２０になっている。これは探針４にかける力を空中で２ ｍｇｆに増した例だが、それを例えば4mgfにすれば式（２）から分かるようにとびの高さはさらに１／２になる。また、センサのI/r2 を半分にすれば、とび高さも半分になる。
【００３７】
図１１は、図１０に示す条件において探針４の横方向のとびの距離を走査速度に対してプロットしたものであり、点線グラフが制御なしの場合で、実線グラフが制御ありの本発明の場合である。本発明により、とびの距離は１／８程度になっている。
【００３８】
図１２は、図１０に示す条件において探針４がとんでいる時間を示す。本発明を用いることにより、探針４のとび時間も１／８程度に短くなることが認められる。
【００３９】
以上の計算例では、探針４がとび上がってから同じ高さに戻るまでを計算して示した。ところで、探針４のとびを判断するのは、dz/dtの値で行ってもよい。探針４が平らの領域にあるときは、走査中は雑音があったとしてもそのdz/dtは小さい。従って、dz/dtがある値を超えたら、とんだと判断して力を増せばよい。その後、空中でdz/dtが徐々に小さくなっていき、0程度になったら本来の測定したい力の値に戻せばよい。
【００４０】
また、とびの判断はd2z/dt2で行ってもよい。式（１）より探針が空中にあるときは、d2z/dt2= F/（I/r2）なので、d2z/dt2をモニターしていれば判断できる。リアルタイムでｚをモニターし時間で微分すれば、dz/dtやd2z/dt2をリアルタイムでモニターできる。
【００４１】
図１２に示したように走査速度が100 μm/sなら本発明によりとび時間は数msとなる。従って、そのとびを制御するにはそれより十分に短い時間で図５の制御ループを回す必要がある。Windows（登録商標）等の汎用OSでは図５の制御ループの時間は数ms程度と遅いので、もっと速く、時間も正確なリアルタイムOSで制御すべきである。それにより例えば100μsの制御ループが可能になる。
【００４２】
短時間の制御を行うために、センサからの信号の時定数も小さい必要がある。差動トランスの出力をロックインアンプで計測する際、計測器１１の最終段で信号をローパスフィルタに通すが、この時定数も100μs程度にする必要がある。そうすることにより計測器１１からのアナログ出力信号を実際のzの変化に追随させることができる。
【００４３】
段差計で最終的に欲しいデータは、上記のように時間に敏感なものでなくてもよい。ローパスフィルタのカットオフ周波数は１３Ｈｚ程度でよい。また最終的なデータの取り込み、モニタでの表示は3 ms程度の間隔でよい。従って、ソフトのローパスフィルタで計算処理し、データを間引いて図４のコンピュータ装置１４の画面に表示すればよい。その計算処理やデータを間引く処理は図４のコントローラ１３及びコンピュータ装置１４のどちらで行ってもよい。
【実施例】
【００４４】
本発明の作用効果を確認するために行った実験とその結果を以下に示す。
試料９をz=0付近に置き、探針４を０．１ ｍｇｆの力の設定値で上方から下ろしたときのz、 v=dz/dt、力F = I/r2 d2z/dt2の時間変化の測定結果をそれぞれ図１４、図１５及び図１６に示す。測定したzを時間微分してvを算出し、2階微分で得たd2z/dt2にI/r2をかけFを求めた。探針４が試料９の表面で跳ね返って振動している様子が分かる。探針４の横方向への走査はしていない。この跳ね返りを走査時の探針４のとびに見立てて、跳ね返り、つまりとびを小さくする実験を行った。実験には図４に示すものと同じ構成の計測制御系を用いた。
【００４５】
図１４、図１５及び図１６に示すグラフは、とび抑制制御をしていない場合であり、ロックインアンプのハードのRCのローパスフィルタ1個の時定数は０．３ ｍｓに設定している。これが4段直列につながり、カットオフ周波数は２３０Ｈｚである。データの取り込み、表示間隔は２００μsである。加速度算出前には雑音対策として移動平均によるスムージングを行っている。
【００４６】
このような跳ね返りに対して本発明の方法を適用した結果を図１７及び図１８に示す。図５の制御ループは１０ kHzで回している。図１７及び図１８における表示は間引いて２００μsごとである。図１７に示すグラフはzの時間変化であり、図１８に示すグラフはvの時間変化である。ロックインアンプのハードのRCのローパスフィルタの時定数は０．１ｍｓに設定し、カットオフ周波数は７００Ｈｚである。制御プログラムとしては、v が４０ ｎｍ／ｍｓ を超えた時点（５１１３ ｍｓ辺り）で力を２ ｍｇｆに増し、その後、ｖが４０ ｎｍ／ｍｓ を下回った時点（５１２０ ms辺り）で０．１ ｍｇｆに戻している。ｚ方向上方への初速度が６００ ｎｍ／ｍｓ くらいのときに、とびの高さは１７００ ｎｍくらいであり、これはとびの抑制制御をしない場合の１／２０程度であることが認められる（図１0参照）。なお、図１７において５１１３ｍｓでzが小さく出ているのは、センサ部の揺動支持棒（図３の符号３参照）のたわみによるものと思われる。
【００４７】
また、図１７及び図１８で見えている振動は探針、支点、変位センサコアをつなぐ揺動支持棒（図３の符号３参照）の振動によるものと思われる。なお、この実験で用いたセンサ部の構成要素の位置関係は図３と異なり、支点に対して探針側に力発生部があり、その反対側に差動トランスのコアがあるものを使用した。
【００４８】
探針が空中にあるときの振動（５１１３ｍｓから５１４４ｍｓの間。約４００Ｈｚ）は、支点とコアの間の揺動支持棒のたわみの振動と思われる。探針が試料上にあるときの振動（５１４４ｍｓ以降。約１５０Ｈｚ）は、探針と支点の間の揺動支持棒のたわみ振動により、反対側にあるコアが上下に振動しているものと思われる。
【００４９】
これら振動は、探針が試料に当たった際の衝撃で発生したもので、時間と共に減衰する。また、表面形状のデータとして取り込む際は、カットオフ周波数１３Ｈｚ程度のソフトのローパスフィルタに通すので、これら振動は除去され問題にならない。
【００５０】
図１９及び図２０はz方向の初速度が小さい場合の例である。制御方法は図１７及び図１８の場合と同様である。６３２５ｍｓ以降で針とびを監視している。６３３０ｍｓ辺りのzの山が針のとびであり、とんでいる時間は５ｍｓ程度と短い。初速１１０ｎｍ／ｍｓ程度（同様の他の例から、跳ね上がる前の下向きの速さの０．７５倍程度として判断している）で、とびの高さは７０ｎｍ程度である。それ以降のzの振動はセンサ部の揺動支持棒のたわみ振動によるものであり、それが減衰していく様子が見えている。カットオフ周波数１３Ｈｚ程度のソフトのローパスフィルタに通せば、とびも振動も見えなくなるであろう。
【００５１】
図１０には、このような測定結果をまとめて示している。○がとびの抑制制御なしの場合の測定結果であり、□が本発明に従って制御ありの場合の測定結果を示している。z方向の初速が走査速度に相当するので、図１０の横軸は走査速度で表している。いずれも計算結果とほぼ一致しており、本発明によりとびの高さを１／２０にできている。とびの検知後にかける力を２０倍の２ｍｇｆにしたので、とびの高さは１／２０になっており、その力をさらに増せば、とびの高さはさらに小さくなる。
【００５２】
図１２には、探針がとんでいる時間をプロットして示し、○はとびの抑制制御なしの場合の測定結果であり、□が本発明に従って制御ありの場合の測定結果を示している。
【００５３】
図１１には 図１２に示す「とびの時間」に、走査速度に相当する「z方向の初速度」をかけたものを「x方向のとびの距離」としてプロットして示している。いずれも測定結果は計算結果にほぼ一致しており、本発明によりとびの時間、距離が短くなることが実験でも示された。
【００５４】
図１３には、特許文献１に記載の制御方式でのとびの高さを図１０のデータに合わせて■でプロットして示し、特許文献１に記載の制御方式で改めて行った実験結果であり、特許文献１に示されているデータではない。I/r2が0.114 gのセンサ部を用い、制御なしでの力が０．０５ｍｇｆ、制御は3 msでループを回し、とびの検知後、2 mgfに増し、一定時間それを保ち、その後徐々に力を０．０５ ｍｇｆに戻したときの測定結果である。
【００５５】
とびの高さh = I v02 / 2 r2 Fにおいて、この条件では I/(r2 F) が図１０の場合と比べて
（０．１１４／０．０５） ／ （０．２１／０．１）＝ １．０９
となり、つまり、同じ初速でのとびを比べると１．０９倍大きい。従って、高さの減少率を比較できるようにするために、測定した高さを１．０９で割ってプロットした。また、１．０９で割るだけなので実質的にも問題はない。また力を０．０５ ｍｇｆから４０倍の２ ｍｇｆにしているので、特許文献１に記載の制御方式に基づく制御ありの計算値は破線で示し、点線の１／４０となっている。特許文献１に記載の制御方式での■でプロットした測定結果は特許文献１に記載の制御方式に基づく「制御ありの計算結果」に達せず走査速度が小さいときにはほとんど効果が得られていない。これは実質的には制御ループを回す速さが遅いことに起因しているが、このことは、制御ループ時間が重要であることを意味している。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】試料の段差部での探針の走査の様子を示す概略線図。
【図２】試料の段差部での探針のとびの様子を示すグラフ。
【図３】本発明を実施している装置の構成を示す概略部分断面図。
【図４】図３における制御手段の構成の一例を示すブロック線図。
【図５】制御手段による制御ループの動作を示す図。
【図６】z方向の初速度が1 mm/sの場合において本発明に従って制御を行った場合の探針とびの軌跡の計算結果（実線）及び制御なしでの計算結果（点線）を示すグラフ。
【図７】図６に示すグラフの一部分の拡大図。
【図８】z方向の初速度が0.1 mm/sの場合において本発明に従って制御を行った場合の探針とびの軌跡の計算結果（実線）及び制御なしでの計算結果（点線）を示すグラフ。
【図９】図８に示すグラフの一部分の拡大図。
【図１０】本発明に従って制御を行った場合の探針のとびの高さの計算結果（実線）及び測定結果（□）並びに制御なしの計算結果（点線）及び測定結果（○）を示すグラフ。
【図１１】本発明に従って制御を行った場合の探針のとびの距離の計算結果（実線）及び測定結果（□）並びに制御なしの計算結果（点線）及び測定結果（○）を示すグラフ。
【図１２】本発明に従って制御を行った場合の探針のとびの時間の計算結果（実線）及び測定結果（□）並びに制御なしの計算結果（点線）及び測定結果（○）を示すグラフ。
【図１３】図１０に示すグラフに特許文献１に記載の制御方式によるとびの高さの計算結果（破線）及び測定結果（■）を重ねて示すグラフ。
【図１４】制御なしでの探針のzの時間変化測定例を示すグラフ。
【図１５】制御なしでの探針のｖの時間変化測定例を示すグラフ。
【図１６】制御なしでの探針の力の時間変化測定例を示すグラフ。
【図１７】z方向の初速が600 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのz時間変化測定例を示すグラフ。
【図１８】z方向の初速が600 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのｖ時間変化測定例を示すグラフ。
【図１９】z方向の初速が110 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのz時間変化測定の別の例を示すグラフ。
【図２０】z方向の初速が110 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのｖ時間変化測定の別の例を示すグラフ。
【図２１】探針式段差計の従来例を示す概略図。
【符号の説明】
【００５７】
１：固定支持台
２：支点
３：揺動支持棒
４：探針
５：針圧付加手段
６：検出手段
７：試料ホルダー
８：走査ステージ
９：被測定試料
１０：制御手段
１１：計測器
１２：アナログ入出力ボード
１３：コントローラ
１４：コンピュータ装置
１５：電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状の測定方法及び装置に関するものである。一層特に、本発明は触針式段差計の針のとびを抑制する方法及び装置に関する。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含するものとする。
【背景技術】
【０００３】
従来技術による触針式段差計の一例を添付図面の図２１に示す。図２１において、Ａは探針で支点Ｂに揺動可能に取り付けられた支持体Ｃの一端に装着されている。支点Ｂは支点受け窪みに置かれる。また支持体Ｃの他端に隣接して探針Ａの垂長方向変位を検出する変位センサＤが設けられている。変位センサＤは探針Ａの垂長方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成っている。一方、支持体Ｃの他端には探針Ａに針圧を加える針圧発生装置Ｅが設けられている。針圧発生装置Ｅは、コイルＦと、コイルＦの中心から軸方向にずれた位置に配置された高透磁率材のコアＧとを備え、コイルＦに流す電流の大きさに応じて発生される、高透磁率材のコアＧをコイルＦの中心へ引き込む力より探針Ａを試料に押し当てるように構成されている。そして試料または図１の検出系を走査することで探針Ａは試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点Ｂのまわりに微小に回転運動し、その変位を差動トランスＤで検出して試料の表面形状や段差が測定される。
【０００４】
このような触針式段差計で軟らかい試料を測る際には、膜厚検査時間を短縮するために、測定時間の短縮が要求され、走査速度を大きくしなければならず、他方では、試料の変形や破損を防ぐために針を下に押し付ける力を小さくしなければならない。しかし、小さい力で、速い走査を行うと図１のような上りの段差部分で針が上方に飛び上がり、正しい段差の測定ができない。
【０００５】
図２には針とびの例を示し、試料の基板上の段差部で探針が空中にとび上がった後、試料面の上で何回か振動している様子を示している。図２のグラフは、探針の針圧が0.15 mgf、探針の走査速度が0.1 mm/sでの測定例である。試料は図１に示す構成と同じで、横軸は時間で、６０ｍｓで走査を開始し、７６０ｍｓで７０μｍ走査が進んでいる。３８０ｍｓ相当の位置にレジスト膜の端すなわち段差があり、そこから変位が増して、探針がとび上がり、その後、戻ってもレジスト膜表面で針が再び跳ね上がり、振動を繰返している。探針の飛びの高さはこれら条件の他に、支点まわりの慣性モーメントと「支点と探針の間の長さ」に依存する（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
このような探針のとびを解決する方法としては、本願の発明者は先に、探針のとびの検知後、探針を下に押さえる力を増して、とびを小さくすることを提案した（特許文献１参照）。かかる方法では、探針に掛かる力を増したまま探針のとび（試料表面上での複数回のとびの振動）が収まるまで待ち、その後、力を徐々に元の小さい値に戻す。つまり、ある一定の間は試料に強い力がかかることになる。従って、探針のとびの高さは小さくなるが、短い時間にせよ試料に強い力がかかる点では望ましくない。
【特許文献１】特開2006‐226964
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような方法では、例えばフォトレジストなどの軟らかい試料の測定では、探針の針先に掛かる力すなわち針圧に応じて試料が変形する。かかる力が強いと、その部分では試料が変形し或いは破損して段差や膜厚は正しく測定できない。
【０００８】
そこで、本発明は、探針が空中にあるときにだけ針圧を増し、試料に再び触れる前に元の弱い針圧に戻すことで、試料には強い力をかけずに探針のとびを抑制できる試料の表面形状の測定方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、探針を被測定試料の表面に接触させて被測定試料の表面形状を測定する方法において、
センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴としている。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、・探針のとびの軌跡の頂点付近で、探針にかかる針圧を元の値に戻すようにされ得る。また、制御操作は１００μ秒で行なわれ得る。
【００１１】
本発明の方法においては、好ましくは、探針の変位の検出に基いた探針の速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すことができる。この場合、本発明の一実施形態によれば、探針の速度の設定値は４０μｍ／ｓに選定できる。
【００１２】
代わりに、本発明の方法においては、探針の変位の検出に基いた探針の加速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の加速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すようにしてもよい。
【００１３】
本発明の第２の発明によれば、被測定試料の表面に対して垂直方向に移動可能でしかも被測定試料の表面に沿って相対的に移動可能である探針と；
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧付加手段と；
探針の垂直方向の変位を検出する検出手段と；
検出手段の出力信号に基き探針のとびを検出すると共に探針のとびの検出に応じて針圧付加手段を制御して探針の針圧を増減する制御手段と；
を有し、
制御手段が、検出手段による探針の垂直方向の変位の検出と探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針のとびを制御抑制するように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
本発明の装置においては、制御手段は、制御操作を１００μ秒で行うように構成され得る。
【００１５】
また、制御手段は、探針の垂直方向の変位を検出する検出手段からの出力信号を計測する計測器を備え、この計測器のローパスフィルタの時定数を短く設定してリアルタイム制御に追従できるように構成され得る。この場合、計測器のローパスフィルタの時定数は１００μ秒に設定され得る。
【００１６】
本発明の一実施形態においては、制御手段は、探針のとびの制御抑制で得られた探針の変位の時間変化データを所望のカットオフ周波数のローパスフィルタに通し、それにより探針のとびを抑制すると共に雑音除去した探針の変位の時間変化データを得るように構成され得る。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明してきたように、本発明の第１の発明によれば、センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻すように構成したことにより、試料には強い力がかからず、試料を傷めることがなくなる。
【００１８】
また、探針のとびの軌跡の頂点付近で、探針にかかる針圧を元の値に戻すように構成した場合には、試料表面に着地する際の速さが小さくなり、それにより跳ね返りが小さくなり、かつ、試料へのダメージも小さくなる。
【００１９】
また、制御操作を１００μ秒で行うようにすることにより、探針の垂直方向の変位の実際の変化に十分追従させることができる。
【００２０】
また、本発明の方法において、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び（又は）加速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すように構成することにより、探針のとびの高さを低くできると共に、試料に再び触れる際の探針の針圧は当然小さくできる。さらに、探針が試料表面に向って下りてきて試料に再び当たる際の速度が小さくなるので、試料を傷めることがなく、針の跳ね返り（再度のとび）も小さくなる。
【００２１】
本発明の第２の発明による装置においては、制御手段が、検出手段による探針の垂直方向の変位の検出と探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針のとびを制御抑制するように構成されているので、探針のとびの高さを大幅に低くでき、しかも探針が再び試料表面に当接する際の針圧及び速度を低減でき、その結果実際の測定を試料にダメージを与えることなく一層正確に行うことができる装置を提供できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下添付図面の図３〜図２０を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
図３には、本発明による測定装置の一つの実施形態を示し、１は固定支持台で、その上に支点２を介して揺動支持棒３が設けられ、この揺動支持棒３の一端には探針４が下向きに取り付けられている。探針４はその先端はダイヤモンドで構成され、また先端の半径は一般的には２．５μｍであるが、それより大きくても小さくてもよい。また、揺動支持棒３の他端には探針４に垂直下方の力すなわち針圧を加える力を発生する針圧付加手段５が設けられている。この針圧付加手段５は図示例では、揺動支持棒３の他端から上方へのびる作動子５ａと作動子５ａを受ける穴をもつコイル５ｂとで構成されている。揺動支持棒３の一端における探針４より支点２側において、探針４の垂直方向の変位を検出する検出手段６が設けられ、この検出手段６は揺動支持棒３に一端を固定した測定子６ａと測定子６ａの他端すなわち自由端を受けるコイル６ｂとを備えた差動トランスで構成されている。
【００２４】
また、図３において７は試料ホルダーで、その上に走査ステージ８が探針４に対して予定の操作速度で移動できるように設けられ、この走査ステージ８上には被測定試料９が取り付けられ得る。
【００２５】
針圧付加手段５及び探針４の垂直方向の変位を検出する検出手段６は制御手段１０に接続され、この制御手段１０は検出手段６からの出力信号に基いて針圧付加手段５の動作を制御するように構成されている。なお、図３の装置において試料９を固定して探針側を走査するように構成することも可能である。
【００２６】
図４には図３に示す制御手段１０の構成の一例を示し、本発明の針とび抑制制御を行うための計測制御系の構成例を示している。図４において、差動トランス等から成り得る検出手段６即ち変位センサの出力はロックインアンプ等の計測器１１で計測される。計測器１１は計測した探針の変位信号をアナログ信号としてアナログ入出力ボード１２へ出力する。このアナログ入出力ボード１２は、リアルタイムOSで動作するコントローラ１３で制御され、計測器１１からのアナログ信号取り込む。コントローラ１３のCPU及びそれにＬＡＮを介し接続されたコンピュータ装置１４でその信号を探針の垂直方向の変位zに換算し、その時間微分dz/dt即ち探針の変位速度ｖ及び２階微分d2z/dt2即ち探針の加速度αを計算し、それら値から探針のとびを判断するように機能する。１４はコンピュータ装置で、このコンピュータ装置１４はＬＡＮを介してコントローラ１３に接続されている。コントローラ１３において探針のとびが検知されると、探針の針圧を増すために、針圧付加手段５（図３）におけるコイル５ｂに流す電流を増すようにする。すなわちアナログ入出力ボード１２を介して、コイル５ｂに流す電流を制御するアナログ電圧信号がコイル５ｂに接続された電源１５に供給され、この電源１５を制御する。その制御ループの動作を図５に示す。
【００２７】
探針４のとびを抑制する方法について以下に説明する。
【００２８】
探針が空中にあるときにだけ力を増し、試料に再び触れる前に元の弱い力に戻すことで、試料には強い力をかけずに針のとびを抑制する。
【００２９】
図６及び図７に探針のとびの計算結果を示す。点線はとびの抑制をしておらず、実線は本発明に従って抑制制御を行った場合であり、図７のグラフは、図６のグラフを拡大表示したものである。
【００３０】
探針４の針先での力をF、針先の垂直方向位置をz、支点２のまわりの慣性モーメントをI、支点２から探針４の針先までの距離をrとして、支点２のまわりの運動方程式を変形すると次の式が得られる。
F = I/r2 d2z/dt2 (1)
即ち、力Fが働く場での、質量がI/r2の質点の運動とみなすことができる。従って、探針４が飛んでいる間は重力場での質点の自由落下運動とみなすことができ、Fが一定ならd2z/dt2も一定になる。つまり図６の点線（ｚの軌跡）は放物線になっている。
【００３１】
なお、探針４の針先でのz方向即ち垂直方向の初速（針先が試料表面から離れるときの速さ）をv0とし、支点２で支えられた可動部分の重心が支点２に近いと仮定すると、放物線の到達高さh、針先が飛んでいる時間（針先が試料表面を離れた後、再び表面に戻るまでの時間）2t0はそれぞれ次式で表せる。
h = I v02 / 2 r2 F (2)
2t0 = 2 I v0 / r2 F (3)
【００３２】
図６及び図７において点線で示すグラフは、探針４の上方への初速度v0が1 ｍｍ／ｓ、探針４を押さえる力（針圧）Fが０．１ ｍｇｆでの結果である。横軸は時間t（秒）である。v0はx方向の走査速度（図１参照）と同程度と考えられるので、ここでは走査速度= v0としており、探針４のx座標はx= v0 t とした。I/r2 ＝ ０．２１０ g のセンサでの計算結果である。
【００３３】
探針４がとび始めたら力を２ ｍｇｆ に増し、その後 dz/dt が0になったら力を０．１ ｍｇｆに戻した場合の計算結果を図６及び図７に実線のグラフで示している。探針４にかける力を20倍に増すことによりとびの高さは1/20になり、とんでいる時間（x方向のとびの距離）も短くなることが分かる。この場合、本発明の一実施形態では、2 mgfの強い力は探針４が空中にあるときしかかけないので、試料９を傷めない。
【００３４】
もし探針４がとび始めた際に探針４にかける２ ｍｇｆの強い力を途中で元の弱い力に戻さないと、「着地」の際の下方向への速さが、「ｔ＝０での上方向への速さ」と同じ値になり大きいので、再び大きく跳ね上がることになる。つまり、着地時のｚ方向の速さ（速度の絶対値）│dz/dt│を小さくしないといけない。そのために、探針４のとびの軌跡の頂点で力を元の弱い値に戻している。
【００３５】
図８及び図９には、図６及び図７の計算で初速v0を１／１０の１００ μｍ／ｓとした時の結果である。点線グラフが制御なしの場合で、実線グラフが制御ありの本発明の場合である。図９のグラフは図８のグラフを拡大して示している。軌跡の頂点で力を戻す制御により、探針４のとびの高さは１／２０になっている。
【００３６】
図１０はとびの高さをv0に対してプロットしたグラフであり、v0は走査速度と同程度なので横軸には走査速度を表している。センサのI/r2 は０．２１０ g としている。点線が制御なしの場合で、実線が本発明に従って制御を行ったときの計算結果である。本発明における探針のとび抑制制御により、とびの高さは１／２０になっている。これは探針４にかける力を空中で２ ｍｇｆに増した例だが、それを例えば4mgfにすれば式（２）から分かるようにとびの高さはさらに１／２になる。また、センサのI/r2 を半分にすれば、とび高さも半分になる。
【００３７】
図１１は、図１０に示す条件において探針４の横方向のとびの距離を走査速度に対してプロットしたものであり、点線グラフが制御なしの場合で、実線グラフが制御ありの本発明の場合である。本発明により、とびの距離は１／８程度になっている。
【００３８】
図１２は、図１０に示す条件において探針４がとんでいる時間を示す。本発明を用いることにより、探針４のとび時間も１／８程度に短くなることが認められる。
【００３９】
以上の計算例では、探針４がとび上がってから同じ高さに戻るまでを計算して示した。ところで、探針４のとびを判断するのは、dz/dtの値で行ってもよい。探針４が平らの領域にあるときは、走査中は雑音があったとしてもそのdz/dtは小さい。従って、dz/dtがある値を超えたら、とんだと判断して力を増せばよい。その後、空中でdz/dtが徐々に小さくなっていき、0程度になったら本来の測定したい力の値に戻せばよい。
【００４０】
また、とびの判断はd2z/dt2で行ってもよい。式（１）より探針が空中にあるときは、d2z/dt2= F/（I/r2）なので、d2z/dt2をモニターしていれば判断できる。リアルタイムでｚをモニターし時間で微分すれば、dz/dtやd2z/dt2をリアルタイムでモニターできる。
【００４１】
図１２に示したように走査速度が100 μm/sなら本発明によりとび時間は数msとなる。従って、そのとびを制御するにはそれより十分に短い時間で図５の制御ループを回す必要がある。Windows（登録商標）等の汎用OSでは図５の制御ループの時間は数ms程度と遅いので、もっと速く、時間も正確なリアルタイムOSで制御すべきである。それにより例えば100μsの制御ループが可能になる。
【００４２】
短時間の制御を行うために、センサからの信号の時定数も小さい必要がある。差動トランスの出力をロックインアンプで計測する際、計測器１１の最終段で信号をローパスフィルタに通すが、この時定数も100μs程度にする必要がある。そうすることにより計測器１１からのアナログ出力信号を実際のzの変化に追随させることができる。
【００４３】
段差計で最終的に欲しいデータは、上記のように時間に敏感なものでなくてもよい。ローパスフィルタのカットオフ周波数は１３Ｈｚ程度でよい。また最終的なデータの取り込み、モニタでの表示は3 ms程度の間隔でよい。従って、ソフトのローパスフィルタで計算処理し、データを間引いて図４のコンピュータ装置１４の画面に表示すればよい。その計算処理やデータを間引く処理は図４のコントローラ１３及びコンピュータ装置１４のどちらで行ってもよい。
【実施例】
【００４４】
本発明の作用効果を確認するために行った実験とその結果を以下に示す。
試料９をz=0付近に置き、探針４を０．１ ｍｇｆの力の設定値で上方から下ろしたときのz、 v=dz/dt、力F = I/r2 d2z/dt2の時間変化の測定結果をそれぞれ図１４、図１５及び図１６に示す。測定したzを時間微分してvを算出し、2階微分で得たd2z/dt2にI/r2をかけFを求めた。探針４が試料９の表面で跳ね返って振動している様子が分かる。探針４の横方向への走査はしていない。この跳ね返りを走査時の探針４のとびに見立てて、跳ね返り、つまりとびを小さくする実験を行った。実験には図４に示すものと同じ構成の計測制御系を用いた。
【００４５】
図１４、図１５及び図１６に示すグラフは、とび抑制制御をしていない場合であり、ロックインアンプのハードのRCのローパスフィルタ1個の時定数は０．３ ｍｓに設定している。これが4段直列につながり、カットオフ周波数は２３０Ｈｚである。データの取り込み、表示間隔は２００μsである。加速度算出前には雑音対策として移動平均によるスムージングを行っている。
【００４６】
このような跳ね返りに対して本発明の方法を適用した結果を図１７及び図１８に示す。図５の制御ループは１０ kHzで回している。図１７及び図１８における表示は間引いて２００μsごとである。図１７に示すグラフはzの時間変化であり、図１８に示すグラフはvの時間変化である。ロックインアンプのハードのRCのローパスフィルタの時定数は０．１ｍｓに設定し、カットオフ周波数は７００Ｈｚである。制御プログラムとしては、v が４０ ｎｍ／ｍｓ を超えた時点（５１１３ ｍｓ辺り）で力を２ ｍｇｆに増し、その後、ｖが４０ ｎｍ／ｍｓ を下回った時点（５１２０ ms辺り）で０．１ ｍｇｆに戻している。ｚ方向上方への初速度が６００ ｎｍ／ｍｓ くらいのときに、とびの高さは１７００ ｎｍくらいであり、これはとびの抑制制御をしない場合の１／２０程度であることが認められる（図１0参照）。なお、図１７において５１１３ｍｓでzが小さく出ているのは、センサ部の揺動支持棒（図３の符号３参照）のたわみによるものと思われる。
【００４７】
また、図１７及び図１８で見えている振動は探針、支点、変位センサコアをつなぐ揺動支持棒（図３の符号３参照）の振動によるものと思われる。なお、この実験で用いたセンサ部の構成要素の位置関係は図３と異なり、支点に対して探針側に力発生部があり、その反対側に差動トランスのコアがあるものを使用した。
【００４８】
探針が空中にあるときの振動（５１１３ｍｓから５１４４ｍｓの間。約４００Ｈｚ）は、支点とコアの間の揺動支持棒のたわみの振動と思われる。探針が試料上にあるときの振動（５１４４ｍｓ以降。約１５０Ｈｚ）は、探針と支点の間の揺動支持棒のたわみ振動により、反対側にあるコアが上下に振動しているものと思われる。
【００４９】
これら振動は、探針が試料に当たった際の衝撃で発生したもので、時間と共に減衰する。また、表面形状のデータとして取り込む際は、カットオフ周波数１３Ｈｚ程度のソフトのローパスフィルタに通すので、これら振動は除去され問題にならない。
【００５０】
図１９及び図２０はz方向の初速度が小さい場合の例である。制御方法は図１７及び図１８の場合と同様である。６３２５ｍｓ以降で針とびを監視している。６３３０ｍｓ辺りのzの山が針のとびであり、とんでいる時間は５ｍｓ程度と短い。初速１１０ｎｍ／ｍｓ程度（同様の他の例から、跳ね上がる前の下向きの速さの０．７５倍程度として判断している）で、とびの高さは７０ｎｍ程度である。それ以降のzの振動はセンサ部の揺動支持棒のたわみ振動によるものであり、それが減衰していく様子が見えている。カットオフ周波数１３Ｈｚ程度のソフトのローパスフィルタに通せば、とびも振動も見えなくなるであろう。
【００５１】
図１０には、このような測定結果をまとめて示している。○がとびの抑制制御なしの場合の測定結果であり、□が本発明に従って制御ありの場合の測定結果を示している。z方向の初速が走査速度に相当するので、図１０の横軸は走査速度で表している。いずれも計算結果とほぼ一致しており、本発明によりとびの高さを１／２０にできている。とびの検知後にかける力を２０倍の２ｍｇｆにしたので、とびの高さは１／２０になっており、その力をさらに増せば、とびの高さはさらに小さくなる。
【００５２】
図１２には、探針がとんでいる時間をプロットして示し、○はとびの抑制制御なしの場合の測定結果であり、□が本発明に従って制御ありの場合の測定結果を示している。
【００５３】
図１１には 図１２に示す「とびの時間」に、走査速度に相当する「z方向の初速度」をかけたものを「x方向のとびの距離」としてプロットして示している。いずれも測定結果は計算結果にほぼ一致しており、本発明によりとびの時間、距離が短くなることが実験でも示された。
【００５４】
図１３には、特許文献１に記載の制御方式でのとびの高さを図１０のデータに合わせて■でプロットして示し、特許文献１に記載の制御方式で改めて行った実験結果であり、特許文献１に示されているデータではない。I/r2が0.114 gのセンサ部を用い、制御なしでの力が０．０５ｍｇｆ、制御は3 msでループを回し、とびの検知後、2 mgfに増し、一定時間それを保ち、その後徐々に力を０．０５ ｍｇｆに戻したときの測定結果である。
【００５５】
とびの高さh = I v02 / 2 r2 Fにおいて、この条件では I/(r2 F) が図１０の場合と比べて
（０．１１４／０．０５） ／ （０．２１／０．１）＝ １．０９
となり、つまり、同じ初速でのとびを比べると１．０９倍大きい。従って、高さの減少率を比較できるようにするために、測定した高さを１．０９で割ってプロットした。また、１．０９で割るだけなので実質的にも問題はない。また力を０．０５ ｍｇｆから４０倍の２ ｍｇｆにしているので、特許文献１に記載の制御方式に基づく制御ありの計算値は破線で示し、点線の１／４０となっている。特許文献１に記載の制御方式での■でプロットした測定結果は特許文献１に記載の制御方式に基づく「制御ありの計算結果」に達せず走査速度が小さいときにはほとんど効果が得られていない。これは実質的には制御ループを回す速さが遅いことに起因しているが、このことは、制御ループ時間が重要であることを意味している。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】試料の段差部での探針の走査の様子を示す概略線図。
【図２】試料の段差部での探針のとびの様子を示すグラフ。
【図３】本発明を実施している装置の構成を示す概略部分断面図。
【図４】図３における制御手段の構成の一例を示すブロック線図。
【図５】制御手段による制御ループの動作を示す図。
【図６】z方向の初速度が1 mm/sの場合において本発明に従って制御を行った場合の探針とびの軌跡の計算結果（実線）及び制御なしでの計算結果（点線）を示すグラフ。
【図７】図６に示すグラフの一部分の拡大図。
【図８】z方向の初速度が0.1 mm/sの場合において本発明に従って制御を行った場合の探針とびの軌跡の計算結果（実線）及び制御なしでの計算結果（点線）を示すグラフ。
【図９】図８に示すグラフの一部分の拡大図。
【図１０】本発明に従って制御を行った場合の探針のとびの高さの計算結果（実線）及び測定結果（□）並びに制御なしの計算結果（点線）及び測定結果（○）を示すグラフ。
【図１１】本発明に従って制御を行った場合の探針のとびの距離の計算結果（実線）及び測定結果（□）並びに制御なしの計算結果（点線）及び測定結果（○）を示すグラフ。
【図１２】本発明に従って制御を行った場合の探針のとびの時間の計算結果（実線）及び測定結果（□）並びに制御なしの計算結果（点線）及び測定結果（○）を示すグラフ。
【図１３】図１０に示すグラフに特許文献１に記載の制御方式によるとびの高さの計算結果（破線）及び測定結果（■）を重ねて示すグラフ。
【図１４】制御なしでの探針のzの時間変化測定例を示すグラフ。
【図１５】制御なしでの探針のｖの時間変化測定例を示すグラフ。
【図１６】制御なしでの探針の力の時間変化測定例を示すグラフ。
【図１７】z方向の初速が600 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのz時間変化測定例を示すグラフ。
【図１８】z方向の初速が600 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのｖ時間変化測定例を示すグラフ。
【図１９】z方向の初速が110 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのz時間変化測定の別の例を示すグラフ。
【図２０】z方向の初速が110 nm/msの場合において本発明に従って制御を行ったときのｖ時間変化測定の別の例を示すグラフ。
【図２１】探針式段差計の従来例を示す概略図。
【符号の説明】
【００５７】
１：固定支持台
２：支点
３：揺動支持棒
４：探針
５：針圧付加手段
６：検出手段
７：試料ホルダー
８：走査ステージ
９：被測定試料
１０：制御手段
１１：計測器
１２：アナログ入出力ボード
１３：コントローラ
１４：コンピュータ装置
１５：電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を被測定試料の表面に接触させて被測定試料の表面形状を測定する方法において、
センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴とする試料の表面形状の測定方法。
【請求項２】
探針のとびの軌跡の頂点付近で、探針にかかる針圧を元の値に戻すことを特徴とする請求項１に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項３】
前記制御操作を１００μ秒で行うことを特徴とする請求項１に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項４】
探針の変位の検出に基いた探針の速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴とする請求項１又は３に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項５】
探針の速度の前記設定値が４０μｍ／ｓであることを特徴とする請求項４に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項６】
探針の変位の検出に基いた探針の加速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の加速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴とする請求項１又は３に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項７】
被測定試料の表面に対して垂直方向に移動可能でしかも被測定試料の表面に沿って相対的に移動可能である探針と；
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧付加手段と；
探針の垂直方向の変位を検出する検出手段と；
検出手段の出力信号に基き探針のとびを検出すると共に探針のとびの検出に応じて針圧付加手段を制御して探針の針圧を増減する制御手段と；
を有し、
制御手段が、検出手段による探針の垂直方向の変位の検出と探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針のとびを制御抑制するように構成されていることを特徴とする試料の表面形状の測定装置。
【請求項８】
制御手段による制御操作を１００μ秒で行うように制御手段を構成したことを特徴とする請求項７に記載の試料の表面形状の測定装置。
【請求項９】
制御手段が、探針の垂直方向の変位を検出する検出手段からの出力信号を計測する計測器を備え、この計測器のローパスフィルタの時定数を短く設定してリアルタイム制御に追従できるように構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の試料の表面形状の測定装置。
【請求項１０】
計測器のローパスフィルタの時定数が１００μ秒であることを特徴とする請求項９に記載の試料の表面形状の測定装置。
【請求項１１】
探針のとびの制御抑制で得られた探針の変位の時間変化データを所望のカットオフ周波数のローパスフィルタに通し、それにより探針のとびを抑制すると共に雑音除去した探針の変位の時間変化データを得るように構成したことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の試料の表面形状の測定装置。
【請求項１】
探針を被測定試料の表面に接触させて被測定試料の表面形状を測定する方法において、
センサによる被測定表面上における探針の垂直方向の変位の検出と、探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針が空中にあるときにだけ探針にかける針圧を増大し、探針が試料に再び触れる前に探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴とする試料の表面形状の測定方法。
【請求項２】
探針のとびの軌跡の頂点付近で、探針にかかる針圧を元の値に戻すことを特徴とする請求項１に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項３】
前記制御操作を１００μ秒で行うことを特徴とする請求項１に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項４】
探針の変位の検出に基いた探針の速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴とする請求項１又は３に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項５】
探針の速度の前記設定値が４０μｍ／ｓであることを特徴とする請求項４に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項６】
探針の変位の検出に基いた探針の加速度が探針のとびを判断する設定値以上になった時に探針にかける針圧を増大し、その後探針の加速度が前記設定値を下回ったら探針の針圧を元の状態に戻すことを特徴とする請求項１又は３に記載の試料の表面形状の測定方法。
【請求項７】
被測定試料の表面に対して垂直方向に移動可能でしかも被測定試料の表面に沿って相対的に移動可能である探針と；
探針に被測定試料の表面に対して垂直方向に向う針圧を作用させる針圧付加手段と；
探針の垂直方向の変位を検出する検出手段と；
検出手段の出力信号に基き探針のとびを検出すると共に探針のとびの検出に応じて針圧付加手段を制御して探針の針圧を増減する制御手段と；
を有し、
制御手段が、検出手段による探針の垂直方向の変位の検出と探針の変位の検出に基いた探針の速度及び加速度の算出と、及び探針の速度及び加速度の少なくとも一方のリアルタイムでのモニターによる探針のとびの検出と、探針の針圧発生装置への電流制御とから成る制御操作を短時間で行い、探針のとびを制御抑制するように構成されていることを特徴とする試料の表面形状の測定装置。
【請求項８】
制御手段による制御操作を１００μ秒で行うように制御手段を構成したことを特徴とする請求項７に記載の試料の表面形状の測定装置。
【請求項９】
制御手段が、探針の垂直方向の変位を検出する検出手段からの出力信号を計測する計測器を備え、この計測器のローパスフィルタの時定数を短く設定してリアルタイム制御に追従できるように構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の試料の表面形状の測定装置。
【請求項１０】
計測器のローパスフィルタの時定数が１００μ秒であることを特徴とする請求項９に記載の試料の表面形状の測定装置。
【請求項１１】
探針のとびの制御抑制で得られた探針の変位の時間変化データを所望のカットオフ周波数のローパスフィルタに通し、それにより探針のとびを抑制すると共に雑音除去した探針の変位の時間変化データを得るように構成したことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の試料の表面形状の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００９−２００５０（Ｐ２００９−２００５０Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８４３９０（Ｐ２００７−１８４３９０）
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１３日（２００７．７．１３）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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